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Die Erfindung betrifft Antriebseinheit eines mit einem elektromotorisch unterstützten Pedalantrieb versehenen Zweirades, wobei die Antriebseinheit im Betriebszustand mit dem Rahmen des Zweirades fest verbunden ist und eine Antriebswelle, einen Elektromotor, ggf. ein Getriebe, Einrichtungen der Steuerelektronik und weitere zum Antrieb erforderliche Bauteile aufweist, welche in einem Antriebsgehäuse angeordnet und konstruktiv zusammengefasst sind. Ebenfalls betrifft die Erfindung ein Fahrrad mit einer solchen Antriebseinheit.
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Als umweltfreundliche Transportmittel sind Fahrräder seit einigen Jahren auch hierzulande wieder stark gefragt und gelten insbesondere innerstädtisch als Alternative zu Fahrzeugen mit Brennstoffantrieb. Dabei hat sich eine bemerkenswerte Vielzahl an Bauweisen herausgebildet, unter denen insbesondere die so genannten Pedelecs oder E-Bikes, also pedalbetriebene Fahrzeuge mit Unterstützungsantrieb, eine herausragende Rolle spielen.
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Muskel- oder pedalbetriebene Fahrzeuge mit elektrischem Unterstützungsantrieb, so genannte ePAC (Electric Pedal Assisted Cycles) mit wiederaufladbaren Energiespeichern, sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausführungen bekannt. Die Energiespeicher sind entweder fest mit dem Fahrzeug verbunden, so dass das Fahrzeug zu einer Ladestation gefahren werden muss und dort wieder aufgeladen werden kann, oder können vom Fahrzeug gelöst werden und separat einem Ladevorgang unterzogen werden.
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Als Energiespeicher werden üblicherweise spezielle Akkumulatoren verwendet, es können aber auch handelsübliche wiederaufladbare Batterien verwendet werden, die beispielsweise in einem Gehäuse zusammengeschaltet sind.
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Der für Pedelecs oder E-Bikes genutzte Hilfsantrieb ist üblicherweise ein Elektromotor, welcher als Nabenmotor im Vorderrad oder Hinterrad oder aber auch als Mittelmotor am Tretlager eines solchen Fahrrads angeordnet sein kann. Motoren am Vorderrad oder Hinterrad haben bekannte Nachteile, die im Wesentlichen darin liegen, dass die Schwerpunktslage der Motoren die Stabilität des Fahrzeugs ungünstig beeinflussen kann. Daher besitzen heute Mittelmotoren am Tretlager einen immer größeren Marktanteil.
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Die Elektromotoren sind dabei in der Regel so geschaltet, dass sie nur als Verstärker für die Pedalkraft eingesetzt werden können, wobei die Kraftunterstützung je nach Bauart des Elektrofahrrades auf bestimmte Maximalgeschwindigkeiten begrenzt ist. Der Elektromotor stellt also bei solchen Fahrzeugen lediglich eine Fahrunterstützung bereit, welche üblicherweise durch eine vom Radfahrer initiierte Pedalbetätigung angefordert werden kann. Natürlich gibt es auch Räder, bei denen der Elektroantrieb nicht nur unterstützt, sondern auch als separater bzw. alleiniger Antrieb genutzt wird.
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Bei den heutigen Pedelecs oder E-Bikes zeigt ein weiterer Trend dahin, dass Fahrräder möglichst variabel auszurüsten sein sollen, dass Reparaturen möglichst einfach und schnell erfolgen sollen und dass ein Umstellen auf verschiedene Neuerungen und auch andere Motorleistungen durchaus gewünscht ist, ohne dass dazu gleich das gesamte Fahrzeug ausgetauscht werden muss. Insbesondere hat sich dabei der am Rahmen befestigte Mittelmotor als geeignetes Objekt dieser Entwicklung erwiesen. Diese Motoren sollen nicht nur leicht ausgetauscht werden können, sondern sollen auch vor Einbau in die Rahmen separat zu testen sein. Außerdem ist es manchmal gewünscht, dass die Antriebseinheit mit Motorunterstützung gegen eine ausschließlich pedalbetriebene Antriebseinheit ausgetauscht werden kann.
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Eine einen Mittelmotor aufweisende Antriebseinheit wird üblicherweise an mehreren Punkten mit einem Fahrradrahmen verschraubt, nämlich in dem Bereich, in dem das Sattelrohr und das vordere Rahmenrohr in ihren unteren Bereichen zusammenlaufen, also im Bereich des Tretlagers.
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Auch wenn die Fertigung der Antriebseinheiten und der zugehörigen Motorgehäuse sowie die Fertigung der Rahmen mit ihren Anschlussbereichen für den Motor bzw. das Motorgehäuse in möglichst engen Toleranzen erfolgt, so ist doch stets bei der Montage und beim Austausch der Motoren eine Anpassung und ein Ausgleich der Toleranzen erforderlich. Im Stand der Technik ist es daher üblich, Toleranzen zwischen dem Gehäuse oder den Aufnahmepunkten des Elektromotors und den Rahmen mit seinen entsprechenden Befestigungspunkten dadurch auszugleichen, dass Buchsen mit oder ohne Flansch eingesetzt werden, die den Spalt zwischen Motor und Rahmen überbrücken. Diese Buchsen sitzen entweder in Bohrungen an den Aufnahmepunkten des Motors oder in dafür vorgesehenen Bohrungen im Rahmen. Bei Fixierung durch Schrauben ziehen sich diese Buchsen an den Motor oder an den Rahmen und überbrücken die Toleranzen zwischen Rahmen und Motor. Bei entsprechend großer Ausführung können so auch unterschiedliche Positionierungen des Motors erreicht werden, etwa um eine auf die Position des im hinteren Rahmen angeordneten Laufrades ausgerichtete Ketten- oder Riemenlaufrichtung zu ermöglichen.
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Im Stand der Technik sind einige Lösungen für die Anbindung zwischen Antriebseinheit und Fahrradrahmen bereits bekannt. So offenbart die
DE 10 2016 112778 A1 eine Lösung, bei der die Toleranzen zwischen Rahmen und Antriebseinheit durch die oben bereits erwähnten verschiebbaren Buchsen oder durch schräge Unterlegscheiben überbrückt werden sollen. Nachteilig ist bei dieser Lösung, dass eine Vielzahl von genau angepassten Teilen zur Montage bereitgestellt werden muss.
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Die
DE 10 2013 224 668 A1 offenbart zur Anbindung lediglich allgemein gehaltene Hinweise auf Verbindungsmittel wie Schrauben, Schellen oder Adapter und ist daher lediglich auf das Vorhandensein einer zwischen Rahmen und Motor vorgesehenen Anbindungsmöglichkeit als solche gerichtet.
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Auch die
DE 10 2016 010 457 A1 offenbart in ähnlicher Weise lediglich Befestigungsplatten, die ebenfalls mit Schrauben befestigt werden können.
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Eine weitere Herausforderung besteht bei der heute modernen aufgabenteiligen Herstellung von Zweirädern darin, dass Untersysteme oder Untergbauruppen des Rahmens, des Antriebs, der Energieversorgung etc. von Zulieferern einbaufertig hergestellt und erst in einem Montagebetrieb zusammengebaut werden. Bei einer solchen Zulieferung von fertig montierten Unterbaugruppen ist es erforderlich, dass die Endmontage des Zweirads möglichst passgenau, unproblematisch und mit automatisierten Montageverfahren erfolgen kann und im Ergebnis ohne weitere Nacharbeit ein fahrbereites, betriebstaugliches Produkt entsteht.
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Für die Erfindung bestand daher die Aufgabe, eine Antriebseinheit bereitzustellen, die nicht nur eine verbesserte Befestigungsmöglichkeit an einem Fahrrad vorsieht, sondern die insbesondere auch für die Zulieferung von fertig montierten Unterbaugruppen geeignet ist, bei der keine zusätzlichen Einzelteile verbaut werden müssen und welche möglichst einfach montiert und ohne umfangreiche Vermessungen und Kontrollen in Betrieb gesetzt werden kann. Des Weiteren sollen die Anforderungen an Toleranzen möglichst minimiert werden ohne dass eine unangenehme Geräuschentwicklung entsteht oder es gar durch Lose in der Befestigung während des Betriebs zu Schädigungen im Verbindungsbereich kommt.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs. Weitere vorteilhafte Ausbildungen sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Dabei weist das Antriebsgehäuse zwei miteinander verbindbare Gehäuseteile auf, von denen ein erstes Gehäuseteil als Teil des Zweiradrahmens ausgebildet und mit den entsprechenden Rahmenrohren verbunden herstellbar ist, also als Teil einer Untergruppe/Baugruppe sein kann, die beispielsweise separat vom Lieferanten des Rahmens mit hergestellt wird. Ein zweites Gehäuseteil weist dann antriebswesentliche Teile, insbesondere die Antriebswelle, den Elektromotor, das Getriebe, die Einrichtungen der Steuerelektronik und weitere zum Antrieb erforderlichen Bauteile auf und ist mit diesen verbunden herstellbar, also beispielsweise als Unterbaugruppe, die separat vom Lieferanten des Motors hergestellt und geliefert wird. Die Gehäuseteile sind erfindungsgemäß zur Montage des Antriebsgehäuses und zur Bereitstellung des Betriebszustandes der Antriebseinheit miteinander fest verbindbar sind. So erreicht man über die Verbindung der der beiden Gehäuseteile auch die Verbindung zwischen Fahrradrahmen und Antriebseinheit.
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Die Verbindung der beiden Gehäuseteile kann dann im Montagewerk des Fahrrads geschehen, ähnlich wie bei der bekannten „Hochzeit“ in der PKW-Montage, bei der ja Karosserie und Motor zusammengefügt werden.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung besteht bei einer im Bereich des Tretlagers angeordneten Antriebseinheit darin, dass das erste Gehäuseteil mit dem Sattelrohr, dem Unterrohr und ggf. mit den Kettenstreben des Zweiradradrahmens verbunden herstellbar ist. Einerseits ergibt sich durch die Fixierung an diesen drei wesentlichen Tragrohren ein besonders steifer Rahmen und andererseits kann hier die Antriebseinheit nahe dem Schwerpunkt angebaut werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass das erste Gehäuseteil und die Rahmenrohre stoffschlüssig miteinander verbunden herstellbar sind, vorzugsweise verschweißt sind. Eine solche Verschweißung bildet eine sehr sichere und einfache Methode, Rahmenrohre und das Gehäuseteil miteinander zu verbinden. Nach der Schweißung könne dann die entsprechenden Kontaktflächen des ersten Gehäuseteils zum zweiten Gehäuseteils noch einmal gefräst oder anderweitig präzise bearbeitet werden. Eine komplementäre Bearbeitung erfolgt dann natürlich auch beim zweiten Gehäuseteil, so dass bei der Positionierung des ersten Gehäuseteils mit dem zugehörigen zweiten Gehäuseteil bereits alle Toleranzvorgaben erfüllt sind.
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Eine weitere vorteilhafte, weil besonders einfach zu montierende Ausbildung besteht darin, dass das erste und das zweite Gehäuseteil formschlüssig miteinander verbindbar sind, vorzugsweise durch eine Schraubverbindung. Eine solche Verbindung erlaubt weiterhin einen einfachen Austausch des zweiten Gehäuseteils bzw. der darin befindlichen Antriebsteile.
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Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass das erste und das zweite Gehäuseteil zur Bereitstellung des Betriebszustandes mindestens eine komplementäre Steckerverbindung (Stecker und Steckdose) für antriebswesentliche Teile aufweist, vorzugsweise zur Bereitstellung der erforderlichen Schaltkreise und der Stromversorgung für den Elektromotor und die Einrichtungen der Steuerelektronik. Dies trägt ebenfalls zur Vereinfachung der Handhabung bei, da hier die hier vorgesehenen komplementären Steckerverbindungen gleichzeitig mit der Verbindung der Gehäusehälften entstehen und sogar noch als Positionierung oder Lagekodierung der beiden Gehäuseteile zueinander genutzt werden können. Steckerverbindungen dieser Art können dazu unterschiedlichste Gestaltungen von Stecker und Dose aufweisen. Sinnvoll ist hier die Verwendung von Norm-Steckerverbindungen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass das zweite Gehäuseteil mit einem temporärem Gehäusedeckel versehen und mit diesen verbunden herstellbar ist, wobei der Gehäusedeckel vor der Montage des Antriebsgehäuses entfernbar ist. Der Gehäusedeckel kann dabei in seiner Form ähnlich wie das erste Gehäuseteile ausgebildet sein, etwa als nicht mit dem Rahmen verbundene Attrappe des ersten Gehäuseteils (Dummy-Oberteil). Ein solcher temporärer Gehäusedeckel kann beispielsweise durch eine nur einmal zu schließende Schnapp- oder Rastverbindung so an dem zweiten Gehäuseteil fixiert werden, dass beim Lösen des Gehäusedeckels die Rastverbindung abbricht.
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Besonders gut lässt sich eine erfindungsgemäße Antriebseinheit an einem Fahrrad mit Mittelmotor verwenden, bei dem die dem die Antriebseinheit einfacherweise nur aus zwei Gehäuseteilen besteht, nämlich aus einem oberen und einem unteren Gehäuseteil, also etwa aus zwei ähnlich großen Gehäusehälften. Dabei ist das obere Gehäuseteil mit dem Sattelrohr, dem Unterrohr und mit den Kettenstreben verbunden ist und bildet so einen sehr steifen und stabilen Fachwerksknotenpunkt des Fahrradrahmens. Die seitlich aus dem Gehäuse ragende und auch die Pedalkurbeln aufweisende Antriebswelle ist üblicherweise über eine Kette und Kettenräder oder über einen Zugriemen und Riemenscheiben mit dem Hinterrad des Zweirads verbunden.
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Anhand eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen
- 1 ein E-Bike oder Elektrofahrrad mit einem elektrischen Hilfsantrieb,
- 2 das obere Gehäuseteil 8a des Antriebsgehäuses prinzipiell und als Teilschnitt innerhalb des Rahmens,
- 3 das untere Gehäuseteil 8b des Antriebsgehäuses prinzipiell und im Schnitt,
- 4 die Situation nach der Montage bzw. nach dem Zusammenbau der beiden Gehäuseteile 8a und 8b.
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Die 1 zeigt ein E-Bike oder Elektrofahrrad 1 mit einer Antriebseinheit 2, nämlich einem elektrischen Hilfsantrieb, der als Mittelmotor ausgebildet und in dem Bereich angeordnet ist, in dem Sattelrohr 7 und das Unterrohr bzw. das vordere Rahmenrohr 5 zusammenlaufen, also im Bereich des Tretlagers 3. Der Elektromotor ist hier so geschaltet, dass er lediglich zur Verstärkung der Pedalkraft eingesetzt wird, so dass es sich hier also um ein so genanntes ePAC (Electric Pedal Assisted Cycles) handelt.
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Die Antriebseinheit 2 ist im Betriebszustand mit dem Rahmen des Zweirades fest verbunden und weist eine Antriebswelle, einen Elektromotor, ein Untersetzungsgetriebe und Einrichtungen der Steuerelektronik und weitere zum Antrieb erforderliche Bauteile auf, welche in einem Antriebsgehäuse 8 angeordnet und konstruktiv zusammengefasst sind.
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Zur Energieversorgung des Elektromotors ist ein lösbar am Fahrrad angeordneter Energiespeicher 4 am oder im vorderen Rahmenrohr 5 vorgesehen.
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Das vordere Rahmenrohr 5, auch Unterrohr genannt, verbindet das Steuerrohr 6 über das obere Gehäuseteil 8a mit dem Sattelrohr 7 und über die Kettenstreben 9 mit dem Hinterbau des Zweirads, wie in der Zusammenschau mit 2 deutlich wird.
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2 zeigt das erste bzw. obere Gehäuseteil 8a des Antriebsgehäuses / Motorgehäuses prinzipiell und als Teilschnitt innerhalb des Rahmens. Hier wird auch klar, dass das obere Gehäuseteil 8a als Teil des Zweiradrahmens ausgebildet und mit den entsprechenden Rahmenrohren verbunden ist, nämlich mit dem Rahmenrohr 5, dem Sattelrohr 7 und den beidseitig ausgebildeten Kettenstreben 9.
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Das obere Gehäuseteil 8a ist mit Rohrstutzen 10a, 10b 10c versehen, in welche gekröpfte Einzüge 11a, 11b und 11c an den Enden der Rahmenrohre eingreifen. Die Rahmenrohre 5, 7 und 9 sind über Ringschweißnähte 12 mit den jeweiligen Rohrstutzen verbunden.
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3 zeigt das zweite bzw. untere Gehäuseteil 8b des Antriebsgehäuses prinzipiell und im Schnitt. Das zweite Gehäuseteil weist alle antriebswesentlichen Teile auf, insbesondere die Antriebswelle 13, den Elektromotor 14, das Getriebe 15, die Einrichtungen der Steuerelektronik 16 und weitere zum Antrieb erforderlichen Bauteile auf. Die antriebswesentlichen Teile 13 bis 16 sind hier der besseren Übersicht halber nur mit gestrichelten Linien angedeutet und können grundsätzlich auch jede andere Form besitzen.
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Das zweite bzw. untere Gehäuseteil 8b wird mit den antriebswesentlichen Teile 13 bis 16 verbunden hergestellt und komplett als Unterbaugruppe zur Montage des Zweirads angeliefert. Die Gehäuseteile 8a und 8 b sind zur Montage des Antriebsgehäuses 8 und zur Bereitstellung des Betriebszustandes der Antriebseinheit miteinander verbindbar. Eine der Verbindungsstellen, nämlich die Mittellinie der Schraubverbindungen 17 ist in der Schnittebene erkennbar. Weitere Schraubverbindungen sind auf dem Umfang angeordnet und hier nicht näher dargestellt.
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4 verdeutlicht noch einmal in einer Zusammenstellung die Situation nach der Montage bzw. nach dem Zusammenbau der beiden Gehäuseteile 8a und 8b, ebenfalls prinzipiell und im Schnitt.
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Durch erfinderische Ausbildung des Antriebsgehäuses und durch die Zuordnung der beiden Gehäuseteile 8a und 8b zu unterschiedlichen Baugruppen bzw. Lieferpaketen entsteht eine sichere, preiswerte und einfache Möglichkeit, Antriebseinheit und Rahmen betriebsfertig zu verbinden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zweirad (Elektrofahrrad)
- 2
- Antriebseinheit
- 3
- Tretlager
- 4
- Energiespeicher
- 5
- Unterrohr, vorderes Rahmenrohr
- 6
- Steuerrohr
- 7
- Sattelrohr
- 8
- Antriebsgehäuse
- 9
- Kettenstrebe
- 10a, 10b, 10c
- Rohrstutzen
- 11a, 11b, 11c
- gekröpfter Einzug am Rahmenrohrende
- 12
- Ringschweißnaht
- 13
- Antriebswelle
- 14
- Elektromotor
- 15
- Getriebe
- 16
- Steuerelektronik
- 17
- Schraubverbindung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016112778 A1 [0010]
- DE 102013224668 A1 [0011]
- DE 102016010457 A1 [0012]
